Глава 9 - Гідрологічні режими
9.1 Вступ до гідрологічних режимів
Записи про течію річки протягом тривалого ряду років показують систематичні сезонні коливання (положення високої та низької води) залежно від основних факторів, що впливають на стік: режим опадів, характер водозбору, його географічне положення, інфільтрація тощо Гідрологічний режим водотоку узагальнює всі його гідрологічні характеристики та спосіб зміни. Він визначається варіаціями його потоку, як правило, представленим графіком середньомісячного потоку (обчислюваного протягом ряду років і також називаного "міжмісячним" потоком або місячним модулем). На рисунку 9.1 показано значення середньомісячних модулів певних річок у світі.
Рис. 9.1 - Середні швидкості руху (у м 3/с) деяких річок світу.
Ми також використовуємо щомісячна швидкість потоку, що визначається як відношення середнього щомісячного потоку до міжрічного модуля (середньорічне середнє, обчислене протягом ряду років). Це дозволяє представити розподіл, у відсотках, щомісячних дебетів протягом року.
| (9,1) |
Річний коефіцієнт стоку також визначається наступним співвідношенням:
| (9,2) |
Крива місячних коефіцієнтів скидів середнього року дозволяє виділити систематичний характер сезонних коливань та порівняти річки між собою. Знання цього коефіцієнта також представляє великий інтерес для того, щоб мати можливість оцінити обсяги, продані протягом сезону, з метою розміщення водойми.
Подібним чином, криві відносних частот розрядів протягом тривалої серії років визначають сезонні коливання квантилів розряду (рис. 9.2). Криві, оцінені 10, 25. 90% вказують на значення щомісячних потоків, які мають відповідно 10, 25. 90 шансів із 100 бути недосягненими або перевищеними.
Рис. 9.2 - Приклад кривих частоти (не перевищує частоту) щомісячних потоків.
9.2 Класифікація гідрологічних режимів
Отже, можна охарактеризувати вододіл і його течію, прийнявши класифікацію режиму водотоків, засновану, з одного боку, на формі систематичних сезонних коливань потоків, які він представляє, а з іншого - на його режимі запас, тобто природа та походження високої води (дощової, снігової чи льодовикової). Потім щомісячний розподіл потоку використовується для класифікації режиму потоку потоку, який називається гідрологічний режим.
Однією з найпростіших класифікацій гідрологічних режимів у річках є Парде (1933), який виділяє три типи режимів:
Проста дієта: характеризується єдиним річним чергуванням високої та низької води (щомісячний максимум та мінімум протягом гідрологічного року) і, загалом, єдиним способом подачі
Змішана дієта: 2 максимуми та 2 мінімуми на рік, що відповідає декільком режимам годування.
Складна дієта: кілька екстремумів та режимів годування.
Ця класифікація може бути виправлена залежно від гідрологічних причин, що спричиняють багато води; це стосується явищ крижаного варення та обвалення. Варення позначає скупчення льоду або дерева у водному руслі, що створює блокаду через перешкоду (наявність мосту, дамби, перетяжки, лікоть тощо). Коли ця дамба поступається місцем з різних причин, це обвал. Що стосується демонтажу крижаного покриву на водних шляхах, це відображає ефект відтавання. Потім при розпаді утворюється вантаж кубиків льоду різного розміру, що, у свою чергу, може спричинити тимчасові дамби (крижаний джем), які часто спричиняють затоплення, коли їх зупинить інша гідрографічна чи інша аварія.
З іншого боку, геологія може помітно модифікувати потоки і поза режимом живлення річок. Це особливо актуально в карстових регіонах (наприклад, в Юрі).
9.2.1 Проста дієта
Він характеризується єдиним максимумом та єдиним річним мінімумом щомісячного коефіцієнта потоків і відображає переважання єдиного режиму подачі (ожеледиця, сніг чи дощ). Однак цей персонаж може приховати поєднання кількох впливів і, таким чином, надати режимам відповідних річок очевидну простоту.
9.2.1.1 Крижаний режим
Крижаний режим зазвичай виявляється, коли 15-20% басейну займають льодовики. У нашому кліматі льодовий режим характеризується, серед іншого, такими:
Досить важливий потік (для режимів, що спостерігаються у Швейцарії, кілька десятків л/с/км 2).
Дуже високі витрати влітку через танення льоду; у Швейцарії єдиний і дуже підкреслений річний максимум встановлюється в липні-серпні.
Дуже низькі витрати пізньої осені, зими, ранньої весни (кілька л/с/км 2).
Дуже велика амплітуда щомісячних коливань витрат (співвідношення між крайніми місячними коефіцієнтами) через дуже високе співвідношення повені/низької води.
Коливання потоку між днем і ніччю в спекотну пору року (в 2-3 рази більше вдень, ніж вночі)
Велика регулярність від року до наступного режиму, оскільки температура з усіх метеорологічних параметрів найменш нерегулярна.
Залежно від середньої висоти водозборів ці характеристики будуть більш-менш вираженими. Наприклад, амплітуда щомісячних коливань потоку перевищує 25 для водозборів з великою висотою (середня висота перевищує 2500 метрів) і коливається від 12 до 35 для басейнів із середньою висотою від 2300 до 2600 метрів. Рейн над Женевським озером є характеризується режимом льодовикового типу (рис. 9.1 та рис. 9.3).
Рис. 9.3 - Щомісячний коефіцієнт витрати для льодового режиму (Rhфne а Gletsch).
9.2.1.2 Режим Нівалу
Режим чистого снігу демонструє в пом'якшеному вигляді деякі характеристики льодового режиму. Однак максимум настає раніше (червень). Він поділяється на гірський і низинний рівень.
Гірський сніговий режим спостерігається в гірських районах, де більшість опадів випадає у вигляді снігу. Характеризується:
поступове танення снігу, яке починається спочатку на нижчих висотах і спричинює повінь у травні-червні (для північної півкулі)
маловоддя влітку (високі температури та високі ET0).
Річка Фрейзер в Надії в Канаді (рис. 9.1) характеризується цим режимом.
Режим рівнинного рівня зачіпає низові континентальні та морські регіони північної Європи. Його характеристики такі:
Сильна і коротка весняна повінь (у квітні-травні) після масового танення навесні зимових снігів; однак на тій же широті повені на рівнині приходять раніше, ніж гірські.
Висока добова мінливість.
Дуже велика мінливість протягом року через дуже помітну низьку воду (високі температури та високий ET0)
Висока міжрічна мінливість (кількість отриманого снігу може сильно відрізнятися від року до року)
Річки Сибіру, як і Лена (рис. 9.1), мають режим рівнинного рівня.
Ми також можемо розрізнити перехідний нівальний режим, який ми знаходимо на вододілах із середньою висотою від 1200 до 1600 метрів. Він ближчий до складного типу тим, що має чотири гідрологічних сезони. Його характеристики такі:
Крива місячних коефіцієнтів витрати, що показує два максимуми (сильний у травні-червні та більш помірний у листопаді-грудні) та два мінімуми.
Мінімальний коефіцієнт, у січні, близько 0,2-0,5.
Після відносно низької витрати в жовтні ми спостерігаємо в листопаді незначне збільшення через дощ, що викликає вторинний максимум коефіцієнта менше 1.
9.2.1.3 Чистий (або океанічний) режим опадів
Незважаючи на те, що режим дощів належить до простих режимів, він має інші характеристики, ніж попередні режими. Він відрізняється:
Висока вода (з більш-менш позначеним максимумом) взимку та маловоддя влітку. Хоча зазвичай дощі в сезон маловоддя дорівнюють або перевищують показники сезону високих вод, оскільки температури високі, випаровування є значним).
Певна міжрічна нерегулярність; час максимальної високої води помітно варіюється від року до наступного відповідно до "примхи" дощів.
Як правило, витрата досить низький (наприклад, Сена: 6 л/с/км 2, див. Рис. 9.1)).
Це режим річок малої та середньої висоти (500 - 1000 метрів). Зустрічається в помірних регіонах без снігу.
9.2.1.4 Режим тропічних дощів
Можна виділити тропічний плювіальний режим, форма варіаційних кривих якого См нагадує льодовиковий період. Він має такі характеристики:
Посуха в холодну пору року і рясні дощі в жарку пору року (з червня по вересень); максимум - наприкінці літа.
Велика мінливість потоків протягом року з мінімумами, які можуть досягати дуже низьких значень. Наприклад, у Кулікоро (річка Нігер) миттєвий розряд може перевищувати 8000 м 3/с у вересні, але залишатиметься нижче 100 м 3/с наприкінці весни (див. Також рис. 9.1).
Відносна регулярність від одного року до наступного; Однак є роки, що відзначаються явним дефіцитом опадів (випадок 1971 та 1973 рр.) У регіоні на південь від Сахари.
Річка Сенегал (рис. 9.1) і Нігер вгорі за течією (рис. 9.1 та рис. 9.4) є характерними річками тропічного режиму.
Рис. 9.4 - Частота висот, тропічна дієта, Нігер у Мопті.
9.2.2 Змішаний режим
Він характеризується двома максимумами та двома мінімумами місячних коефіцієнтів протягом гідрологічного року. За основними способами живлення ми виділяємо сніжно-льодовиковий, льодовиково-нівальний, рівень-плювіальний, плювіо-нівальний режим.
9.2.2.1 Сніжно-льодовиковий режим
Він має такі особливості:
Один справжній щорічний максимум досить рано (у травні-червні-липні), що відповідає таненню снігу з подальшим таненням льодовиків.
Порівняно високі добові коливання у спекотну пору року.
Великі коливання від одного року до наступного, але проте менші, ніж для режиму рівня.
9.2.2.2 Сніговий режим
Характеризується:
Два чисті максимуми, один досить виражений приблизно в квітні-травні, коли тане сніг, а другий восени (близько листопада) більш помірний. Цей другий максимум, залежно від дощів, які випали восени, може бути низьким (коефіцієнт менше 1).
Основний мінімум у жовтні та вторинний мінімум у січні, обидва - від 0,6 до 0,8.
Амплітуда (співвідношення між крайніми місячними коефіцієнтами) становить від 2 до 5.
Різні зміни з року в рік можуть бути значними.
Верхній Міссісіпі (до впадання його в Міссурі) демонструє цієї весни максимум, що відповідає таненню снігу (рис. 9.1). У Швейцарії Емме і Емменмат (рис. 9.1 та рис. 9.5) є типовим прикладом цієї дієти. За даними Гідрологічного атласу Швейцарії, цей режим класифікується відповідно до середньої висоти, на вищий рівень-плювіальний (середня висота від 1000 до 1200 метрів, Швейцарські Альпи) і нижній рівень-плювіальний (середня висота між 750 і 1000 метрами, Юра ).
Рис. 9.5 - Приклад щомісячної кривої коефіцієнта витрати для доальпійського сніговічного режиму
(Emme a Emmenmat)
9.2.2.3 Дощово-сніговий режим
Тенденція дощів тим більше помітна, що басейн розташований на невеликій висоті (від 650 до 750 метрів). Плювіо-нівальний режим характеризується:
Два чисті максимуми, але, як правило, домінує максимум опадів восени-зими. Танення снігу лише продовжує зимову повінь, даючи їй початок навесні.
Значна щорічна нерегулярність.
Більш-менш слабка амплітуда.
Рис. 9.6 - Щомісячний коефіцієнт потоків для плювіонівального режиму (Orbe a Orbe).
Річка По в Італії представляє дощово-сніговий режим (рис. 9.1). У Швейцарії для Orbe à Orbe характерний режим цього типу, навіть якщо максимум опадів має той самий порядок, що і зимовий максимум (рис. 9.6).
9.2.3 Складна дієта
Складний режим, як правило, зустрічається на великих річках, притоки яких від вищого до нижнього течії дуже різним чином впливають на загальний потік. Режим великих річок представлений як синтез режиму їх складових суббасейнів, найчастіше дуже різноманітний з точки зору висоти, клімату тощо. Зазвичай ці різні впливи, як правило, послаблюють екстремальні потоки і збільшують річну регулярність середньомісячних потоків, від вищого до нижнього течії (див. Рис. 9.1 для Рейну в Ризі та Рейну нижче за течією Женевського озера. Чансі).
9.3 Гідрологічні режими в Швейцарії
У Швейцарії класифікація та регіоналізація гідрологічних режимів була проведена після вивчення 95 репрезентативних басейнів, вибраних із федеральної та кантональної мереж, за чітко визначеними критеріями: режим природного стоку, із серією однорідних вимірювань протягом декількох років, площа від 10 до 500 км 2, і потоки не зазнають впливу великих озер. Це дослідження, проведене Інститутом географії Бернського університету (Вайнгартнером та Ашванденом) у 1986 р., Призвело до складання карти природних гідрологічних режимів, що характеризуються середніми річними потоками. Виділено три основні класи гідрологічних режимів. Ці три основні класи, в свою чергу, були розділені на 16 типів режимів, розподілених відповідно до просторових параметрів (середня висота, поверхня льодовика) або за результатами статистичного аналізу (рис. 9.7). Тому для кожного з трьох основних видів дієти ми виділяємо:
Для альпійського режиму режими: a-льодовиковий, a-льодовиковий-нівальний, b-льодовиковий, b-льодовиковий-нівальний, рівень-льодовиковий, нівально-альпійський
Для режиму Плато і Юри режими: перехідний нівальний, верхній плювіальний, юраський рівень-плювіальний, доальпійський рівень-плювіальний, нижній плювіальний, ювіальний;
Для режиму південних Альп режими: південний рівень, південний плавіонівальний, південний плювіальний, південний плювіальний.
"Гідрологічний атлас Швейцарії" робить ці знання доступними для широкої аудиторії у вигляді карт, (http://www.hydrologischeratlas.ch/fr/a-propos).
Рис. 9.7 - Варіації щомісячних коефіцієнтів скиду для 16 типів режимів, визначених у Швейцарії після вивчення 95 репрезентативних басейнів (за даними "Гідрологічного атласу Швейцарії")